"미생물은 엄청나게 복잡한 형태의 운동을 사용한다."라고 Roberto Zenit은 말한다. (제공: Brown)

이리저리 움직이는 것만으로도 박테리아와 정자와 같은 미생물이 놀라운 일을 하고 있다. 점도의 영향은 작은 규모로 증폭된다. 즉, 물 속에서 헤엄치는 미생물이 타르 구덩이에서 배영을 하려는 사람과 조금 비슷하다. 과학자들은 여전히 어떻게 하는지에 대한 완전한 그림을 가지고 있지 않는다.

이 새로운 도구는 많은 미생물이 돌아다니는 데 사용하는 코르크 마개 같은 부속기관인 편모의 작용을 모방한다. 그 수영 동작을 거시적 세계로 가져옴으로써 장치는 편모 운동의 유체 역학을 더 쉽게 연구할 수 있도록 한다. 그리고 자체 추진, 재구성 및 원격 제어가 가능하기 때문에 연구원들은 실제 미생물로는 불가능한 실험을 설정할 수 있다.

연구원들은 이 장치가 생성한 통찰력이 불임 치료에서 감염이 신체를 통해 어떻게 퍼지는지를 이해하는 것에 이르기까지 모든 것에 유용할 수 있기를 바란다.

"미생물은 엄청나게 복잡한 형태의 운동을 사용한다."라고 브라운 대학교 공학부의 교수이자 과학 기기 리뷰(Review of Scientific Instruments) 연구의 수석 저자인 로베르토 제니트(Roberto Zenit)는 말한다.

"우리는 작동 방식에 대한 근사치를 만드는 수학적 모델을 가지고 있지만 이러한 근사치를 개선하려면 이러한 유기체 주변의 속도장을 자세히 측정해야 한다. 수영을 가능한 한 가깝게 모방할 수 있는 장치를 만들어 그러한 측정 중 일부를 수행하기를 희망한다.”

Zenit은 수년 동안 미생물의 수영 행동 모델에 대해 연구해 왔다. 이전에 그는 자석이 포함된 알약 크기의 장치를 개발했으며, 이 장치는 진동 자기장을 사용하여 "수영"할 수 있다. 이 장치는 박테리아 유영에 대한 합리적인 근사치였지만 Zenit은 이를 개선하기를 원했다.

"진짜 박테리아는 내부 힘이 있기 때문에 자기장이 필요하지 않는다."라고 Zenit은 말한다. "우리는 우리가 자체 추진할 수 있는 무언가를 생각해낼 수 있는지 확인하고 싶었다."

그래서 Zenit은 유체 역학 연구를 위한 맞춤형 장치 제작을 전문으로 하는 엔지니어링 조교수인 Daniel Harris에게 문의했다. Zenit과 Harris는 로봇 프로토타입을 개발하는 것이 Harris의 학생 그룹에게 좋은 프로젝트가 될 수 있다고 생각했다.

Harris의 지시에 따라 학부생 팀은 로봇 수영 프로토타입을 만들기 위해 한 학기 동안 일했다. 그룹의 한 멤버인 Matthew Styslinger는 2021년에 졸업하기 전에 수석 캡스톤 프로젝트로 프로젝트를 계속 진행했다. 거기에서 박사 과정 학생인 Asimanshu Das가 프로젝트에 참여하여 기능을 추가하고 디자인을 완성했다.

이 장치는 E. coli 박테리아의 기하학적 구조를 기반으로 한다. 길이 6cm(2.36인치), 지름 2cm(0.787인치)인 3D프린터로 만든 원통형 헤드가 있다. 방수 헤드에는 소형 모터, 전원 공급 장치 및 기타 전자 장치가 있다. 모터는 길이가 약 9센티미터(3.54인치)인 3D 프린터로 만든 나선형 꼬리를 구동한다. 꼬리를 바꿔 끼우고 다양한 나선 각도와 형상을 실험할 수 있다. 리모콘은 모터 속도와 회전 방향을 조정한다.

팀은 옥수수 시럽과 물의 혼합물에서 수영하는 장치로 일련의 벤치마크 실험을 수행했다. 결과는 장치의 수영 성능이 장치의 미세한 상대의 움직임을 합리화하기 위해 자주 적용되는 동일한 이론인 단순 저항력 모델의 예측과 일치한다는 것을 보여주었다.

장치의 유효성을 검사한 후 팀은 이제 나선형 수영에 대한 새로운 정보를 제공하기 위해 다양한 실험을 계획한다.

"이것이 우리에게 주는 것은 우리가 완전히 통제할 수 있는 거시적 실험을 할 수 있는 능력이다"라고 Harris는 말한다. “박테리아에게 특정 방향으로 헤엄치거나 나선 각도를 바꾸라고 지시한다고 상상해 보라. 하기가 꽤 어렵다. 하지만 이것으로 우리가 할 수 있는 일이다.”

앞으로 팀은 수영 선수 주변의 유동장을 자세히 측정할 계획이다. 그들은 미생물이 단단한 벽을 만났을 때 흐름이 어떻게 되는지, 여러 유기체가 함께 헤엄칠 때 흐름이 어떻게 변하는지와 같이 아직 풀리지 않은 몇 가지 핵심 질문에 대해 밝히고자 한다.

출처: 브라운 대학교